Qu'est-ce que la fabrication intelligente ?

La fabrication intelligente est la numérisation de la fabrication à tous les niveaux, de la conception optimale des produits à l'optimisation et à la rationalisation des processus de production. Elle intègre également la gestion des lignes de fabrication grâce à la maintenance prédictive et de la maintenance préventive, qui détecte les problèmes avant qu'ils ne surviennent sur les lignes de fabrication. Par ailleurs, la fabrication intelligente s'étend à l'écosystème plus large d'une entreprise manufacturière, y compris les ventes et la chaîne logistique du secteur.

La fabrication intelligente associe du matériel et des logiciels, allant des capteurs intelligents, des appareils de l'Internet industriel des objets (IIoT), du big data, des systèmes cyberphysiques et de la robotique à l'intelligence artificielle (IA) et l'apprentissage automatique , l'analyse de données en temps réel, la simulation, le cloud computing et les jumeaux numériques. De nouvelles méthodes de fabrication, telles que la fabrication additive (impression 3D), sont également devenues un élément clé de la fabrication intelligente, car elles permettent de créer des produits mieux optimisés.

L'évolution de la fabrication intelligente a apporté un nouveau niveau d'optimisation et d'automatisation à de nombreux industries manufacturières, notamment l'automobile, l'aérospatiale, la défense, la santé, l'énergie et les semi-conducteurs, et contribue à améliorer l'efficacité, la durabilité et la prise de décision des processus de fabrication dans ces secteurs. Les technologies de pointe développées et perfectionnées tout au long de la transformation numérique de la quatrième révolution industrielle, c'est-à-dire l'Industrie 4.0, ont permis de rendre la fabrication intelligente possible aujourd'hui.

La fabrication intelligente tourne autour de données en temps réel et de technologies pilotées par les données, qui permettent à la chaîne de fabrication de s'adapter à tous les changements en fonction de la demande et des besoins de l'entreprise. Grâce à la collecte de données issues des nombreux capteurs différents de la ligne de production, ce processus optimise les différents paramètres en fonction de la sortie attendue et identifie les défauts potentiels avant qu'ils ne surviennent grâce à un comportement appris et prédictif. La combinaison matériel-logiciel de la fabrication intelligente permet de maintenir les lignes de fabrication en bon état de fonctionnement et sans interruptions ni de perturbations. De nombreux composants sont responsables des fonctionnalités offertes par la fabrication intelligente.

IoT, IIoT et edge computing

De nombreux appareils dans un environnement de fabrication intelligent font partie du réseau de l'Internet des objets (IoT). L'IIoT en est un élément central, car il connecte les ressources physiques et numériques, permettant ainsi de prendre des décisions éclairées. Cela inclut des capteurs intelligents connectés sans fil au réseau numérique et le téléchargement des données pour analyse par le logiciel. Cela permet également au réseau intelligent de prendre des décisions de contrôle automatisées en fonction des données obtenues par rapport aux données historiques. Le réseau IoT comprend également des processeurs à faible coût qui effectuent certaines tâches informatiques localement, telles que la fusion de capteurs qui permet de collecter et de traiter les données provenant des capteurs, avant que les données collectées ne soient téléchargées sur le cloud afin d'éviter tout décalage dans le réseau IoT. C'est ce que l'on appelle l'edge computing, un élément clé de l'infrastructure IIoT de fabrication intelligente.

Simulations et jumeaux numériques

Les simulations et les jumeaux numériques (environnements virtuels) sont tous deux utilisés dans la fabrication intelligente pour créer et optimiser numériquement des produits physiques, de sorte que l'ensemble des tolérances et des paramètres puissent être déterminés, validés et testés avant le début de la production. Les erreurs de fabrication deviennent ainsi beaucoup moins probables en raison des processus pré-optimisés. Les jumeaux numériques peuvent également simuler une usine intelligente complète ainsi que toutes les ressources associées pour garantir que tout se déroule sans heurts et offrir un moyen d'optimiser continuellement le processus une fois la production commencée. Les données physiques en temps réel pouvant être intégrées au jumeau numérique pour simuler différents scénarios, celles-ci peuvent ensuite être appliquées à la chaîne d'assemblage physique.

Cloud Computing

La connectivité cloud et le cloud computing permettent de stocker les données des capteurs IoT, puis de les analyser à l'aide d'algorithmes d'apprentissage automatique qui fonctionnent à partir de serveurs distants (où l'espace disponible pour héberger les centres de données est plus important). L'utilisation du cloud permet d'effectuer toutes les analyses et toutes les automatisations sans fil. De plus, à l'ère de la connectivité 5G, la latence est beaucoup plus faible tandis que les vitesses sont plus élevées, ce qui permet de réaliser une fabrication intelligente à plus grande échelle.

IA et apprentissage automatique

L'IA et l'apprentissage automatique sont des éléments clés de l'analyse des données de la fabrication intelligente, car ils identifient des modèles dans les données qui peuvent optimiser les processus, réduire les défauts des produits et repérer les défauts de fabrication/de l'équipement avant qu'ils ne surviennent. L'IA et l'apprentissage automatique s'associent à de nombreux autres algorithmes d'analyse de données et constituent un élément essentiel de la dimension « intelligente » de la fabrication intelligente. De plus, l'IA et l'apprentissage automatique sont utilisés en dehors de ces domaines clés, notamment dans les microprocesseurs d'edge computing IoT et les robots d'usine intelligents (tels que les cobots et autres robots autonomes).

Fabrication additive

La fabrication additive est devenue un élément clé de la technologie de fabrication intelligente. Bien qu'elle ne fasse pas partie de la technologie d'automatisation, l'impression 3D est une technologie majeure du côté de la conception et de la production. La fabrication additive permet de réduire les temps de fabrication, de créer des prototypes rapides et de développer des pièces aux géométries complexes ainsi que des canaux internes, qui nécessitent souvent des étapes de fabrication coûteuses.

SCADA

Dans les environnements de fabrication, le système de contrôle et d'acquisition de données (SCADA) coordonne en temps réel le flux de matériaux et les stocks. Le système SCADA assure une surveillance du système en temps réel et est directement connecté aux systèmes de contrôle pour surveiller les performances des systèmes de fabrication et fournir des alertes lorsqu'une anomalie est détectée.

La transition des processus de fabrication traditionnels vers des systèmes de fabrication intelligente présente de nombreux avantages en termes d'efficacité, de productivité, de qualité, de durabilité et d'économie, notamment :

• Amélioration des rendements : une réduction de 20 % à 40 % des défauts, une amélioration de 15 % à 30 % du rendement au premier passage et jusqu'à 50 % de réduction des déchets et des rebuts dans les processus de formage et d'usinage.
• Réduction du temps : une réduction de 20 % à 30 % des cycles de développement des produits, jusqu'à 50 % d'erreurs de développement en moins et une réduction de 40 % des délais de production.
• Réduction des coûts : une réduction de 20 % à 40 % des coûts de recherche et développement (R&D) et de prototypage, deséconomiesde 10 % à 20 % sur les matières premières ainsi que des économies d'énergie de 15 % grâce à des processus optimisés.
• Durabilité accrue : une réduction de 25 % des émissions de carbone, des économies de 20 % à 30 % d'eau et de ressources dans le secteur manufacturier et une amélioration de 15 % de l'efficacité énergétique.
• Amélioration du contrôle des processus et de la qualité : une réduction de la variabilité des processus et des erreurs non détectées sur l'ensemble de la chaîne d'assemblage, qui contribue à réduire les rappels de produits, à améliorer leur qualité et à faciliter la gestion de la chaîne logistique.

Outre les aspects opérationnels de la chaîne d'assemblage, une grande partie des progrès dans la fabrication intelligente consiste à concevoir des produits optimaux, plus durables, plus efficaces, plus rapides à fabriquer et moins chers à produire, le tout avant le début de la fabrication.

Ce processus peut prendre plusieurs formes, mais les technologies numériques et les capacités de simulation sont cruciales. D'une part, la modélisation de différents processus de fabrication peut permettre de déterminer à quel moment des défauts apparaissent dans un produit et s'ils sont susceptibles d'entraîner une défaillance (et au bout de combien de temps). Un environnement virtuel peut être simulé pour déterminer comment éliminer ces défauts ou pour identifier les tolérances du produit permettant d'accepter un certain niveau de défauts. Les environnements virtuels aident également à identifier les meilleures techniques de fabrication d'un produit en déterminant les approches qui introduisent trop de contraintes dans le matériau, ce qui peut rapidement entraîner une défaillance du produit.

Une fois les sous-processus modélisés, des modèles d'ordre réduit peuvent être intégrés au système pour identifier à quel moment un équipement de fabrication commence à dévier et sortir des tolérances. Ces deux aspects contribuent à améliorer la sécurité et la qualité des produits tout en optimisant le rendement des chaînes de montage grâce à la réduction des défaillances des produits. Ce processus peut être appliqué aux lignes de fabrication traditionnelles ainsi qu'aux procédés de fabrication additive, car la chaleur des bains de fusion peut également être surveillée dans les procédés additifs.

Un autre élément clé de la conception de produits aujourd'hui est le développement durable. La conception avec simulation dans le cadre de la fabrication intelligente permet de rendre les pièces plus recyclables en facilitant le choix des matières premières et en améliorant l'efficacité énergétique grâce à des processus optimisés. Il s'agit souvent de l'équilibre des matériaux par rapport à leur recyclabilité et à l'énergie qu'ils coûtent à produire. Par exemple, l'acier est plus facile à recycler que beaucoup de plastiques, mais sa production nécessite beaucoup plus d'énergie. De même, les batteries des véhicules électriques (VE) sont beaucoup plus difficiles à recycler qu'un moteur traditionnel, mais un VE réduit les émissions locales de gaz à effet de serre. La fabrication additive joue également un rôle dans ce domaine, car au lieu d'effectuer des processus déconnectés dans plusieurs installations, il est parfois plus efficace de recourir à la fabrication additive en termes d'énergie, de matériaux et de temps.

Les approches en matière de simulation, telles que l'ingénierie de systèmes basés sur des modèles ou l'ingénierie de processus basés sur des modèles, peuvent simuler de nombreux processus de fabrication. Cela inclut l'extrusion, le mélange, le broyage et le concassage, l'estampage, le formage, le moulage, le revêtement, le soudage, le brasage et la fabrication additive, ainsi que de nombreuses autres méthodes de fabrication courantes. La simulation examine à la fois la pièce et le processus, et un certain nombre d'outils Ansys sont utilisés dans ces simulations, notamment :

• Ansys LS-DYNA, logiciel de simulation structurelle dynamique non linéaire : utilisé pour modéliser les sous-processus de fabrication, tels que l'emboutissage, le formage des métaux ou le laminage.
• Ansys Fluent, logiciel de simulation de fluides : utilisé pour modéliser les processus de fabrication à base de liquides, tels que le mélange.
• Ansys Rocky, logiciel de simulation de dynamique des particules : utilisé pour modéliser la dynamique des particules à l'intérieur des fluides et souvent utilisé avec le logiciel Fluent pour les sous-processus à base de liquides.
• Ansys Additive Suite, solution complète de fabrication additive : utilisée pour modéliser des pièces fabriquées de manière additive, y compris des impressions virtuelles complètes qui examinent les contraintes exercées sur la pièce, la structure en couches d'une pièce, la meilleure orientation d'une pièce par rapport au laser, la présence de défauts ou d'inclusions dans la pièce, les propriétés du bain de fusion et l'optimisation des paramètres de fonctionnement.
• Ansys Twin Builder, plateforme de jumeaux numériques basée sur la simulation et Ansys TwinAI, logiciel de jumeaux numériques alimenté par l'IA : ces outils permettent de créer un environnement de jumeau numérique virtuel capable de simuler des processus de fabrication, voire une installation de fabrication intelligente dans son ensemble, afin d'exécuter des scénarios de test et d'optimisation en temps réel.

La simulation joue un rôle important dans la création d'installations de fabrication intelligente. Si vous souhaitez découvrir comment exploiter des technologies de simulation et de jumeau numérique pour améliorer la conception et le fonctionnement des produits dans le cadre de la fabrication intelligente, n'hésitez pas à contacter notre équipe technique pour en savoir plus sur nos solutions de fabrication intelligente.

Ressources connexes